一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，包括方波導管和多個方柱；所述方波導管包括第一段、第二段和第三段；所述第二段與水平面平行；所述第三段與水平面之間的夾角為45°；所述第二段中與水平面成135°的方向上開設有逐級遞增的多層孔道；所述方柱位于孔道內。本發(fā)明所述的基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件克服了傳統(tǒng)技術中正向透射率低、單向傳輸頻帶窄且單一、單向傳輸性能無法調控等的不足，具備正向透射率高、聲波單向傳輸頻帶寬且數目較多、性能可控的優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于聲學超材料領域，尤其是涉及一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件。
【背景技術】
[0002]在現實生活中，聲波在通常介質中傳輸是雙向的，即聲波分別從介質的兩側入射時，其透射性能沒有區(qū)別。而作為一種常見的能量和信息載體，如果聲波單向傳輸可以實現，可運用于各種需要對聲能量實現特殊控制的重要場合，例如:在B超超聲成像的過程中，首先向體內發(fā)射超聲波，反射的聲波會被接收裝置接收，通過分析反射聲波信號得到體內器官或胎兒的超聲圖像，從而檢測體內器官的健康程度或胎兒的發(fā)育情況。然而，部分反射聲波會對入射聲波形成干擾，從而降低B超成像的對比度及分辨率。因此，如果能夠設計出聲波單向傳輸器件，使得這些聲波不再被反射回聲源，將有助于提高醫(yī)學超聲成像的質量。此外，聲波單向傳輸效應還可用于單向聲屏障的設計與制造，聚焦超聲治療及特殊工業(yè)技術應用等領域。綜上所述，聲波單向傳輸器件的研制具有十分重要的學術價值和應用前景。
[0003]目前，國內外研究人員主要采用非線性介質或特殊線性系統(tǒng)來研制聲波單向傳輸器件。(I)利用非線性介質對聲波產生的倍頻或分頻效應，同時結合聲子晶體頻率帶隙的選擇機制可以實現聲波單向傳輸。當聲波從非線性介質一側入射時，聲波頻率會轉化為倍頻，倍頻后的聲波頻率在聲子晶體通帶中，可以通過復合結構；而當該頻率的聲波從聲子晶體一側入射時，聲波頻率在聲子晶體禁帶中，則很難通過聲子晶體，從而實現聲波單向傳輸。
(2)設計特殊的線性系統(tǒng)實現聲波的單向傳輸。例如:衍射結構與二維聲子晶體構成的線性系統(tǒng)；其中，衍射結構用來改變聲波傳播方向，而二維聲子晶體的方向帶隙特性，可以實現對不同方向的聲波選擇性通過。當聲波垂直入射于衍射結構時，產生不同方向的衍射聲波，衍射聲波的傳播方向在聲子晶體的方向通帶中，可以通過聲子晶體，并分布在不同方向上；而當聲波從聲子晶體一側垂直入射時，聲波在聲子晶體方向禁帶中，則很難通過聲子晶體，從而實現聲波單向傳輸。在此基礎上，基于聲子晶體的禁帶特性，研究人員又提出蘭姆波型板狀聲子晶體、非對稱三角形結構聲子晶體、彎曲波導管結構聲子晶體、梯度折射結構聲子晶體等線性系統(tǒng)實現了聲波單向傳輸。(3)基于單個一維周期性聲柵與金屬平板組成的非對稱板狀復合結構同樣可以實現聲波單向傳輸，其中一維周期性聲柵改變聲波的傳播方向，而浸沒在水中金屬平板的蘭姆波非對稱模式的泄漏角度對不同方向的聲波進行選擇。
[0004]然而傳統(tǒng)技術中存在下列缺點:(I)基于非線性介質的聲波單向傳輸器件，聲波頻率會發(fā)生變化，且聲波的正向透射率極低；(2)基于聲子晶體的單向傳輸器件，目前其可實現單向傳輸效應的頻帶單一，且無法做到對單向傳輸效應的性能調控；(3)在現有的聲波單向傳輸器件中，單向傳輸頻帶較窄。導致傳統(tǒng)技術缺陷的原因有:(I)聲波通過非線性介質，聲波會產生倍頻效應，使得入射聲波頻率發(fā)生改變;且非線性介質的倍頻轉換效率很低，從而引起單向傳輸效應的正向透射率極低；(2)基于聲子晶體的方向禁帶特性可以實現聲波單向傳輸，然而，聲波單向傳輸效應與聲子晶體的結構參數息息相關，聲子晶體結構參數的確定即基本確定了其對聲波的作用情況，故不可避免的使聲波單向傳輸效應頻帶單一，且性能難以調控；(3)由于實現聲波非對稱透射效應需要非常嚴格的條件，因此，現有的聲波單向傳輸器件的頻帶較窄。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現有技術中存在單向傳輸器件的正向透射率低、單向傳輸頻帶窄且單一、單向傳輸性能無法調控等不足，本發(fā)明提供了一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，該裝置具備正向透射率高、聲波單向傳輸頻帶寬且數目較多、性能可控的優(yōu)點。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
[0007]一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，包括方波導管和多個方柱;所述方波導管包括第一段、第二段和第三段;所述第二段與水平面平行;所述第三段與水平面之間的夾角為45° ;所述第二段中與水平面成135°的方向上開設有逐級遞增的多層孔道;所述方柱位于孔道內。
[0008]優(yōu)選的，所述第一段與水平面之間的夾角為135°，第一段和第三段成軸對稱布置。
[0009]優(yōu)選的，所述第二段自下而上開設有孔數成等差數列遞增的5層孔道。
[0010]優(yōu)選的，所述相鄰兩層孔道的數量差為2。
[0011]優(yōu)選的，所述方柱的底面與水平面平行。
[0012]優(yōu)選的，方波導管的內管直徑L= 15mm; 5個方柱構成的聲子晶體參數如下:d =
1.4臟，& = 3臟，匕=3.6臟0
[0013]優(yōu)選的，所述方柱的底面與水平面成45°設置。
[0014]優(yōu)選的，所述方柱的材質為金屬或合成金屬材料。
[0015]優(yōu)選的，所述方柱的材質為銅、鋅、鐵、鋼、鋁、金、銀、鎳中的一種。
[0016]本發(fā)明的有益效果:
[0017](I)本發(fā)明所述基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，將多個方柱構成的二維聲子晶體和方波導管有機組合，克服了傳統(tǒng)單向傳輸器件的正向透射率低、單向傳輸頻帶窄且單一、單向傳輸性能無法調控的不足。
[0018](2)本發(fā)明通過旋轉方柱角度或者方波導管結構的角度，來調控單向傳輸性能，實現單向傳輸效應的開關、反轉等;還可實現多頻帶聲波透射性同步。
[0019](3)本發(fā)明使得單向傳輸頻帶范圍廣，當單向傳輸器件尺寸整體變小，單向傳輸頻帶向高頻平移，可高達21OOkHz左右，當單向傳輸器件尺寸整體變大，單向傳輸頻帶向低頻平移，可低至22kHz左右;且均有2個單向傳輸頻帶，正向透射率可達到80%以上。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明所述的基于波導管結構的聲單向傳輸器件示意圖。
[0021]圖2為本發(fā)明所述的基于波導管結構的聲單向傳輸器件，聲子晶體方柱的角度(a)θ = 0度及(b)0 = 45度示意圖。
[0022]圖3為實施例1的聲強級頻譜圖。
[0023]圖4為實施例2的聲強級頻譜圖。
[0024]圖5為實施例3的聲強級頻譜圖。
[0025]圖6為實施例4的聲強級頻譜圖。
[0026]圖7為實施例5的聲強級頻譜圖。
[0027]圖8為實施例6所述的基于波導管結構的聲單向傳輸器件，聲子晶體方柱的角度(a)0 = O度及(b)0 = 45度示意圖。
[0028]圖9為實施例6的聲強級頻譜圖。
[0029]附圖標記說明如下:
[0030]1-方波導管，2-方柱，101-第一段，102-第二段，103-第三段。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。
[0032]實施例1
[0033]如圖1所示，一種浸沒在水中的金屬波導管復合結構模型，所述金屬波導管復合結構包括方波導管I和多個方柱2;所述方波導管I包括第一段101、第二段102和第三段103;所述第二段102與水平面平行;所述第三段103與水平面之間的夾角為45°;所述第二段102中與水平面成135°的方向上自下而上開設有孔數成等差數列遞增的5層孔道103;所述方柱2位于孔道103內。方波導管I的內管直徑L= 15mm;5個方柱2構成的聲子晶體參數如下:d =1.4mm，a = 3mm，b = 3.6mm。方柱2的角度包含0°和45°兩種實現方式，如圖2(a)、2(b)所示，并分別對應兩種透射模式。
[0034]為了計算聲波非對稱透射聲強級頻譜，采用有限元數值方法建立浸沒在水中的金屬波導管復合結構模型。聲子晶體的方柱材料選用鋼，計算所用的材料參數分別為:鋼的密度7800kg/m3，縱波速度6100m/s及橫波速度3300m/s;水的密度998kg/m3及聲速1483m/s。
[0035]圖3為平面波激發(fā)聲子晶體產生的聲強級頻譜圖(a)0= O°與(b)0 = 45°，其中實線表示聲波從左側入射;虛線表示聲波從右側入射。如圖3(a)和3(b)，在200kHz-700kHz的頻率范圍內，分別各出現2個單向傳輸頻帶(斜線陰影區(qū)域)。它們所在的區(qū)間分別為:頻帶1:200kHz-375kHz，頻帶 Π: 390kHz-500kHz ；頻帶ΙΠ: 200kHz_330kHz，頻帶V:450kHz_605kHz ；圖3(b)中還存在一個雙通頻帶(橫線陰影區(qū)域)，頻帶IV:335kHZ-450kHZ。由此實現了多頻帶的單向傳輸效應。
[0036]從圖中可以看出，在頻帶I和m中，左側入射的平面波可以通過聲子晶體，而右側入射對應的透射率均很低，幾乎不能通過聲子晶體;在頻帶Π中，左側入射平面波不能通過聲子晶體，右側入射可以，而在頻帶V的單通性則剛好相反，即右側入射平面波不能通過聲子晶體，而左側入射可以；頻帶IV則由單通變?yōu)殡p通。比較圖3(a)和3(b)可以看出，通過旋轉聲子晶體中方柱的角度，可以調控實現單向傳輸效應。從而實現了多頻帶單向傳輸效應，且性能可控。通帶的透射率均達到80%以上，單向傳輸效應非常明顯。
[0037]實施例2
[0038]器件中聲子晶體的材料除了鋼之外，還可以適用其他金屬或合金材料的結構，圖4(a)和4(b)分別表示聲子晶體材料為鋅對應的聲強級頻譜圖。聲子晶體的結構參數為L =15mm，d=l.4mm，a = 3mm，b = 3.6mm，(a)θ = O度及(b)0 = 45度。計算所用的材料參數分別為:鋅的密度7100kg/m3，縱波速度4170m/s及橫波速度2410m/s;水的密度998kg/m3及聲速1483m/s。從圖4(a)和4(b)可以看出，在200kHz-700kHz頻率范圍中，聲單向傳輸現象與圖3(a)和3(b)基本相同，即有兩個單向傳輸頻帶(其中一個頻帶透射性可隨Θ變化)且可出現一個雙通頻帶。
[0039]實施例3
[0040]圖5(a)和5(b)分別表示聲子晶體材料為銅對應的聲強級頻譜圖。聲子晶體的結構參數為L = 15mm，d = I.4mm，a = 3mm，b = 3.6mm，(a) Θ = 0度及(b) Θ = 45。計算所用的材料參數分別為:銅的密度8900kg/m3，縱波速度4710m/s及橫波速度2260m/s;水的密度998kg/m3及聲速1483m/s。從圖5(a)和5(b)可以看出，在200kHz-700kHz頻率范圍中，單向傳輸現象與圖3(a)和3(b)基本相同，即有兩個單向傳輸頻帶(其中一個頻帶透射性可隨Θ變化)且可出現一個雙通頻帶。
[0041 ] 實施例4
[0042]現保持鋼和水的材料參數不變，即鋼的密度7800kg/m3，縱波速度6100m/s及橫波速度3300m/s;水的密度998kg/m3及聲速1483m/s。同時縮放所有結構參數(除Θ外)為原來的
0.3倍，對應的結構參數為L = 4.5mm，d = 0.42mm，a = 0.9mm,b = 1.08mm，(a) θ = 0度及(b)9 =45度。從圖6(a)和6(b)可以看出，在700kHz-2100kHz頻率區(qū)間出現了類似于圖3(a)和3(b)的現象，即有兩個單向傳輸頻帶(其中一個頻帶透射性可隨Θ變化)且可出現一個雙通頻帶，頻帶范圍向高頻方向平移。
[0043]實施例5
[0044]現保持鋼和水的材料參數不變，即鋼的密度7800kg/m3，縱波速度6100m/s及橫波速度3300m/s;水的密度998kg/m3及聲速1483m/s。同時縮放所有結構參數(除Θ外)為原來的1倍，對應的結構參數為L = 150mm，d = 14mm, a = 30mm, b = 36mm, (a) Θ = 0度及(b) Θ = 45。從圖7(a)和7(b)可以看出，在22kHz-60kHz頻率區(qū)間內的情況也類似于圖3(a)和3(b)，即有兩個單向傳輸頻帶(其中一個頻帶透射性可隨Θ變化)且可出現一個雙通頻帶，頻帶范圍向低頻方向平移。
[0045]以上說明，變化器件的參數，可以使得單向傳輸頻帶發(fā)生平移，從而在22kHz-21 OOkHz頻率范圍內獲得聲波單向傳輸效應。
[0046]實施例6
[0047]如圖8(a)及8(b)，把所述第一段101設置成與與水平面之間的夾角為135°，第一段101和第三段(103)成軸對稱布置，保持其它參數不變，即L = 15mm，d = 1.4mm,a = 3mm,b =3.6mm，(a)0=O度及(b)0 = 45。聲子晶體材料仍選用鋼，計算所用的材料參數分別為:鋼的密度7800kg/m3，縱波速度6100m/s及橫波速度3300m/s;水的密度998kg/m3及聲速1483m/s。
[0048]如圖9(a)0 = O度，在200kHz-700kHz的頻率范圍內，出現了兩個透射性相同的頻帶(橫線陰影區(qū))，分別為頻帶1:220kHz-370kHz和頻帶Π:380kHz-620kHz。頻帶I左側和右側入射的平面波均不能通過聲子晶體，頻帶Π左側和右側入射的平面波則均能通過聲子晶體。如圖9(b) Θ = 45度，頻帶ΙΠ: 230kHz-320kHz，頻帶IV: 330kHz-450kHz，頻帶V1: 560kHz-700kHz，平面波從左側入射與從右側入射透射率均相同。且頻帶V:450kHZ-560kHZ具有一定的單向傳輸性能。從而實現多頻帶雙通聲波透射效應。
[0049]所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，包括方波導管(I)和多個方柱(2);所述方波導管(I)包括第一段(101)、第二段(102)和第三段(103);所述第二段(102)與水平面平行；所述第三段(103)與水平面之間的夾角為45° ;所述第二段(102)中與水平面成135°的方向上開設有逐級遞增的多層孔道(103);所述方柱(2)位于孔道(103)內。2.根據權利要求1所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，所述第一段(101)與水平面之間的夾角為135°，第一段(101)和第三段(103)成軸對稱布置。3.根據權利要求1或2所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，所述第二段(102)自下而上開設有孔數成等差數列遞增的5層孔道(103)。4.根據權利要求3所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，所述相鄰兩層孔道(103)的數量差為2。5.根據權利要求1或2所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，所述方柱(2)的底面與水平面平行。6.根據權利要求5所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，方波導管(I)的內管直徑L = 15mm; 5個方柱(2)構成的聲子晶體參數如下:d =1.4臟，& = 3臟，匕=3.6臟07.根據權利要求1或2所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，所述方柱(2)的底面與水平面成45°設置。8.根據權利要求1或2所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，所述方柱(2)的材質為金屬或合成金屬材料。9.根據權利要求1或2所述的一種基于波導管結構的多頻帶可控聲波單向傳輸器件，其特征在于，所述方柱(2)的材質為銅、鋅、鐵、鋼、鋁、金、銀、鎳中的一種。
【文檔編號】G10K11/18GK106023982SQ201610335403
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】孫宏祥, 黃玉磊, 袁壽其, 夏建平
【申請人】江蘇大學